Optimism的Fault proof

1. 引言

fault proof（错误证明），又名欺诈证明，或，交互游戏，其包含3大要素：

• 1）Fault Proof Program（客户端角色）：已知对所有rollup inputs（L1数据）的承诺值，和，dispute争议，可statelessly无状态地验证该争议。
• 2）Fault Proof VM（服务端角色）：已知某stateless无状态程序及其输入，追踪任意指令步骤，并在L1证明。
• 3）Fault Proof Interactive Dispute Game：将争议一分为二为一条指令，并使用VM解决base-case基本情况。

这3大要素可具有不同的实现，从而组合为不同的proof stacks，并为解决某争议贡献proof多样性。

程序及其单独指令的“无状态执行”是指通过使用Pre-image Oracle的authenticating输入来再现完全相同的计算。

2. Pre-image Oracle

Program（客户端）与 VM（服务端）之间的唯一通讯方式为：

• pre-image oracle

二者通讯使用简单的request-response wire协议。具体见后面的Pre-image communication。

Program使用pre-image oracle来查询用户可以使用的任意输入数据：

• 用于bootstrap该program的初始输入。具体见后面的Bootstrapping章节。
• 还不是程序代码的外部数据。具体见Pre-image hinting routes。

pre-images以bytes32 type-prefixed key来表示：

• 第一个字节标识request类型。
• 剩下的31个字节标识该pre-image key。

其中requestleix you :

• Type 0：Zero key。0前缀是非法的。
• Type 1：Local key。用于program bootstrapping，以通过索引或名称来标识初始输入参数。
• Type 2：Global keccak256 key。用作global pre-image store contract，其是完全上下文独立和无许可的。
• Type 3：Global generic key。保留。
• Type 4-128：保留范围。
• Type 129-255：应用使用。

3. Bootstrapping

初始输入是确定性的，但不一定是单一的或全局的：可能同时存在多个不同的争议，每个争议都有自己的争议主张和L1上下文。

为了bootstrap，该program使用pre-image key type 1 来从VM请求初始输入。

VM知道外部上下文，并基于它们的类型映射所请求的pre-image keys，即type 1的local lookup或 type 2的global lookup，且可选地支持其他key类型。

4. Hinting

客户端与服务端之间还有另一可选通讯方式：

• pre-image hinting

hinting是可选的，为L1 VM实现中的no-op。

hint本身在链上的成本非常低：

• hint可为单个write系统调用，这是即时的，因为作为hint的内存写入实际上不需要作为链上证明的一部分加载。

hinting允许程序在生成链外证明时，指示VM其所感兴趣的数据。

VM可选择在任何时候执行所请求的hint：

• 本地执行（对于标准请求），
• 或者通过将hint重定向到VM program附带的工具，以模块化的形式执行。

hints不必直接执行：它们可能首先被记录下来以显示program的意图，最新的hint可能会被缓冲以供延迟执行，或者在只读模式下完全删除（如onchain链上）。

当pre-image oracle服务某请求，并且不能从现有的pre-images集合（如，某local pre-image缓存）服务时，VM可以执行该hint以检索丢失的pre-image(s)。该program有责任为每个pre-image请求提供足够的hinting。某些hints可能需要重复：在处理丢失的pre-image时，VM只需要执行最后一个hint。

注意，hint可以产生多个preimage：如，具有交易列表的以太坊区块的hint可为：

• 区块头
• 每笔交易
• 形成交易列表merkle-Pricia Trie的中间merkle节点

准备pre-image。

hinting是通过阻塞双向流上的request-acknowledgement协议实现的：

 :=  

 := 

 := big-endian uint32  # length of 
 := byte sequence
 := 1-byte zero value

ack通知客户端该hint已处理。服务端可能会异步回复hints和pre-image请求，因为这是分开的streams。为避免正在请求的pre-images暂未获取，客户端应在观察到该hint acknowledgement之后再请求该pre-image。

5. pre-image通信

pre-images通过通过阻塞双向流上的最小wire-protocol来通信。该协议以阻塞读写系统调用来实现：

 :=   # the type-prefixed pre-image key

 :=  

 := big-endian uint64  # length of , note: uint64

其中：

• ：可为任意高的值：若其所需的pre-image内容已读取，客户端可随时停止读取。

6. Fault proof program

Fault proof program：

• 将，L2 rollup的状态变更，的claims，
• 定义为，
• 基于L1数据的纯函数。

op-program是指该program的实现，基于op-node和op-geth来实现的。
该program主要包含：

• Prologue：加载输入，已知最小bootstrapping，和可能的test-overrides
• Main content：处理L2状态变更，即，根据L1输入派生该状态更改。
• Epilogue：检查该状态更改来验证该claim。

6.1 Prologue

program以2个主要输入来bootstrap：

• l1_head：将其看成是L1链tip的L1区块哈希，证实所有之前L1的真实性。
• dispute：标识所验证的claim。

bootstrapping，通过对program host的特殊输入请求来启动。

此外，还有隐含输入，这些输入源于上述主要输入，但可出于测试目的被覆盖：

• l2_head：l2区块哈希，它将被视为l2链tip的之前共识，用于验证所有先前的L2历史。
• 链配置：链配置可嵌入到程序中，也可根据L1上已标识的dispute属性来确定。
  • l1_chain_config：L1链的链配置（也称为l1_genesis.json）
  • l2_chain_config：L2链的链配置（也称为l2_generation.json）
  • rollup_config：rollup节点使用的rollup配置（也称为rollup.json）

隐含输入依赖于L1-introspection，通过争议游戏接口在L1历史（直到指定的L1_head）中加载争议的属性。争议可能是claim本身，也可能是指向L1中特定先前claimed数据的指针，这取决于争议游戏接口。

在实际的核心状态转换函数执行之前，隐含的输入被加载到“prologue”中。在测试期间，可以使用加载重写的简化prologue。

注意：目前只支持test-prologue，因争议游戏接口正在积极更改。

6.2 Main content

为验证L2 state的某claim，program首先基于之前认可的L2历史，应用L1数据，重新生成L2 state。该流程称为L2派生过程，且匹配 rollup节点 和 L2 execution engine内的处理流程。

不同于通过RPC来获取输入并对disk应用状态变更，输入通过pre-image oracle加载，并在内存中累加状态变化。

以2个数据源来派生该执行：

• 1）对L1链只读的接口，由pre-image oracle来back：
  • l1_head：确定了可用的L1数据：后续没有可用的L1数据。
  • 链的实现从l1_head向下遍历header-chain，以按区块号查询服务。
  • l1_head：为L1 unsafe head、safe head和finalized head。
• 2）L2 engine API接口：
  • 之前的L2链历史由pre-image oracle back，与L1链类似：
    • 初始的l2_head确定了可用的L2数据：后续没有可用的L2数据。
    • 链的实现从l2_head向下遍历header-chain，以按区块号查询服务。
    • l2_head：为L2 unsafe head、safe head和finalized head。
  • 新的L2链历史在内存中累加：
    • 若内存有限，尽管可使用pre-image oracle，按哈希来恢复数据，但program应首选在内存中保持最新创建的链数据，以最小化pre-image oracle访问。
    • L2 unsafe head、safe head和finalized head，可随着派生流程而变化。
    • L2 state包含了内存中的变化差量，可通过只读L2历史来访问任意未变化状态节点。

6.3 Epilogue

当main-content生成了disputed L2 state，epilogue会对该disputed claim下结论。

program会生成二进制输出来验证该claim，使用标准的single-byte Unix exit-code：

• 0：成功，即该claim是正确的。
• 非零值：表示失败，即该claim是不正确的：
  • 推荐使用1来标识不正确的claim
  • 其它非零值来表示runtime错误：如program代码中的bug所导致的panic或unexpected error。

7. Fault proof VM

fault proof VM实现：

• 一个智能合约：来验证单个execution-trace step，如单个MIPS指令。
• 一个CLI命令行：来为单个execution-trace step，生成proof。
• 一个CLI命令行：来计算在第$N$个step的VM state-root。

fault proof VM依赖于fault proof program，来基于hints提供任意丢失pre-images的接口。

VM仿真该program，为目标架构VM准备，并通过VM CLI生成state-root或指令proof。

Fault proof VM有：

• Cannon：big-endian 32-bit MIPS proof，由OP Labs开发，当前已Public archive了。
• Asterisc：little-endian 64-bit RISC-V proof，由protolambda开发，当前正在活跃开发中。

8. Fault proof interactive dispute game

互动纠纷游戏允许参与者通过链上挑战响应游戏解决纠纷，该游戏将不一致的区块$n\to n+1$状态转换，然后基于为该状态转换建模的VM的executiont race，以证明单个VM trace步骤的基本情况为界。

游戏是多玩家的：不同的不结盟参与者可以在bond时参与。

响应时间是根据树分支中的剩余时间以及与claim的一致性来分配的。分配的响应时间受到争议游戏窗口的限制，当bond不足时，基于L1费用所需的任何额外时间都会发生变化。

注：计时、bond、一分为二争议游戏正在开发中。

参考资料

[1] Optimism的Fault proof